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研究表明单个原子作为催化剂的重要性

2021-02-22 17:16 作者: 来源: 本站 浏览: 15次 字号:

摘要:    盖世汽车讯 日前,奥地利维也纳工业大学的一个研究小组表明,当颗粒达到最小尺寸,即单个原子时,一切都会发生彻底改变。金或铂等金属通常被用作催化剂。如在车辆催化转化器中,铂纳米颗粒可将有毒的一氧化碳转化为无毒的CO2。由于铂和其他催化活性金属昂贵且稀有,因此...

  

盖世汽车讯 日前,奥地利维也纳工业大学的一个研究小组表明,当颗粒达到最小尺寸,即单个原子时,一切都会发生彻底改变。金或铂等金属通常被用作催化剂。如在车辆催化转化器中,铂纳米颗粒可将有毒的一氧化碳转化为无毒的CO2。由于铂和其他催化活性金属昂贵且稀有,因此,纳米颗粒变得越来越小。

  

单个原子催化剂是尺寸缩小的逻辑终点:金属不再以颗粒形式存在,而是以单个原子形式存在,只需固定在更便宜的载体材料表面即可。因此,由较大金属块衍生出的、判断金属是良好催化剂与否的原则也不再适用于单原子,原则需要进行修改,且维也纳工业大学已修订完成。结果证明,基于低廉材料的单原子催化剂可能会更高效。该结果现已发表于《Science》期刊。

  

  

(图片来源:Science)

  

只有金属的外层原子才能在化学过程中发挥作用,而内层原子永远不会与环境接触。因此,为节省材料,金属颗粒最好体积微小,而非大块,从而使更多原子驻留在表面。如果可以达到极限使用单个原子,则每个原子都具有化学活性。过去十年里,“单原子”催化领域迅速发展,并取得了巨大成功。

  

维也纳工业大学应用物理研究所Gareth Parkinson教授表示:“20世纪70年代,人们已经对贵金属可作为良好催化剂的原因进行了研究。例如,Gerhard Ertl凭借对催化的原子级见解而获得了2007年诺贝尔化学奖。”

  

一块金属中,电子不再被分配给特定的原子,且电子态是由许多原子的相互作用产生。Gareth Parkinson表示:“对于单个原子,旧模型不再适用。单个原子不会像金属一样共享电子,因此电子带(其能量是解释催化作用的关键)在此类状况下并不存在。”

  

近年来Gareth Parkinson及其团队一直在深入研究这种单原子催化背后的原子机制。Gareth Parkinson称:“在许多情况下,被认为是良好催化剂的金属同样是单原子形式的良好催化剂。因为,在这两种状态下,催化剂的电子相同,也就是所谓的d电子。”

  

单原子催化中出现了全新可能性,而该可能性在普通金属粒子中无法实现。Parkinson解释道:“由于表面放置的是金属原子,且形成了原子键,因此我们可以改变原子的反应性。”

  

在某些情况下,昂贵金属(如铂金)不再是最佳选择。Parkinson还说:“单个镍原子给一氧化碳氧化带来巨大希望。如果我们了解单原子催化的原子机理,就会更有可能影响化学过程。”维也纳工业大学以这种方式精确分析了八种不同的金属,其结果与维也纳大学Cesare Franchini教授合作开发的理论模型完全吻合。

  

Gareth Parkinson强调:“催化剂在许多领域都非常重要,尤其是在可再生能源经济领域至关重要的化学反应。新方法表明,催化剂不一定总是铂金。”原子的局部环境起着决定性作用,如果选择正确,就可以开发出更好的催化剂,节省资源和成本。